Halb acht Uhr morgens und die Sonne geht über dem CERN auf.
Genauer gesagt über einem Gebäudes des CERN, denn das Europäische Kernforschungsinstitut ist riesig. Es besteht aus hunderten Gebäuden die über die Schweiz und Frankreich verteilt sind; es arbeiten dort zehntausende Leute; das ganze Gelände ist ein extraterritoriales Gebiet und der Generaldirektor des CERN einem Staatschef gleichgestellt. Ein Besuch beim CERN ist nicht einfach nur ein Besuch an einem x-beliebigen wissenschaftlichen Institut; es gleicht eher einem Kurzurlaub in einem fremden Land und das nicht nur wegen der großen Ausdehnung und den vielen Sehenswürdigkeiten.
Für meinen Besuch hatte ich aber leider nur eineinhalb Tage Zeit – aber zumindest die wichtigsten Dinge habe ich gesehen.
Gebäude 33 ist der Eingang für alle Besucher und dort findet man auch die diversen öffentlichen Ausstellungen (die man übrigens kostenlos bescuchen kann):
Auf einem Kunstwerk, das sich mit kosmischer Strahlung beschäftigt, warte ich darauf, nicht nur das Besucherzentrum sondern auch den Rest des CERN-Geländes betreten zu dürfen.
Das klappt glücklichwerweise. Um auf dem großen Gelände von A nach B zu kommen, gibt es eigene CERN-Fahrräder:
Es gibt eigene CERN-Autos:
Ich aber besteige einen CERN-Autobus, denn wenn man die großen Teilchendetektoren besuchen will, dann schafft man das kaum zu Fuss (vor allem dann nicht, wenn die Temperaturen mehr als 30 Grad betragen).
Die meisten der wirklich wichtigen Geräte des CERN befinden sich tief unter der Erde. Damit man auch von oben einen kleinen Eindruck von dem bekommt, was man unten finden kann, sind die Gebäude hübsch gemalt. Hier geht es zum ATLAS-Detektor:
ATLAS ist einer der beiden großen und neuen Detektoren am
Teilchenbeschleuniger LHC. Denn es reicht ja nicht aus, einfach nur einen langen Tunnel unter der Erde zu bauen, in dem Teilchen rumsausen und miteinander zusammenstoßen. Man will ja sehen, was bei diesen Kollisionen passiert und dafür braucht man entsprechende Geräte. Die Detektoren messen, welche neuen und anderen Teilchen bei den Kollisionen entstehen, wie schwer sie sind und in welche Richtung sie davon fliegen. Aus diesen Spuren und Trümmern der Zusammenstöße können die Wissenschaftler dann genau rekonstruieren, was in den Bruchteilen einer Sekunde passiert, die so eine Kollision dauert.
Ein großer Teilchendetektor ist eine gewaltige und vor allem enorm komplexe Maschine und die hat nicht einfach nur ein paar Schalter oder einen Computer, mit dem sie gesteuert wird. Wie bei einer Weltraummission gibt es hier einen eigenen Kontrollraum:
Der ist aber gerade nicht besetzt, denn momentan ist es ruhig im Tunnel des Beschleunigers und den Detektoren. Das heißt, es finden keine Kollisionen statt und es befinden sich keine Teilchen im Tunnel. Natürlich ist trotzdem jede Menge los. Denn die Wissenschaftler machen nicht einfach Ferien sondern renovieren den kompletten Teilchenbeschleuniger. Der lief ja seit 2009, allerdings nur mit halber Kraft. In den 3 Jahren des bisherigen Betriebs hat man sich mit der großen Maschine vertraut gemacht und ihre Schwachstellen aufgezeichnet. Diese Erkenntnisse nutzt man nun in der (schon vorher eingeplanten) Betriebspause, um den LHC-Beschleuniger auszubauen und zu verbessern.
Die Teilchen fliegen ja nicht von selbst im 27 Kilometer langen unterirdischen Tunnel im Kreis herum. Man muss sie steuern und das geschieht mit jeder Menge sehr starken Magneten. Eine Schwachstelle sind die Verbindungen zwischen diesen Magneten, die nun alle erneuert werden. Man nutzt aber die Gelegenheit um auch den Detektor selbst zu erneuern, damit mehr Kollisionen mit mehr Details aufgenommen werden können. Dazu wird zum Beispiel das Rohr verkleinert, in dem die Teilchen durch den Detektor fliegen. Man macht es schmaler um außen herum noch ein paar Detektorschichten mehr anbringen zu können. Und man macht es aus Beryllium und nicht mehr aus Aluminium, damit die Trümmer der Kollision besser bis in die Detektoren gelangen können.
Es gibt also jede Menge zu tun und wir sind entsprechend dankbar, dass die Wissenschaftler die Zeit gefunden haben, um uns ein wenig durch die Gegend zu führen.
Aus dem Buch “Angels & Demons” (auf deutsch: “Illuminati”) von Dan Brown weiß man ja, dass man nicht so einfach in den Labors des CERN herumspazieren kann. Da gibt es Sicherheitsschleusen, durch die man nur kommt, wenn man sein Auge einscannen lässt. Überraschenderweise stimmt diese Information sogar. Wer aber plant, so im LHC einzubrechen wie das der Bösewicht in Browns Buch gemacht hat, wird trotzdem enttäuscht werden. Es nutzt nichts, irgendeinem armen Forscher das Auge heraus zu schneiden und es vor die Kamera zu halten. Denn dieses moderne System erkennt, ob ein Auge noch lebendig ist oder nicht…
Nachdem wir durch die Sicherheitsschleuse geführt worden sind, müssen wir alle einen Helm aufsetzen. Ein Gerät zur Messung radioaktiver Strahlung brauchen wir allerdings nicht; das tragen nur die Wissenschaftler dort. Nicht, weil im LHC so wahnsinnig viel radioaktives Material rumliegt (davon wird bei den Experimenten relativ wenig verwendet). Aber der Teilchenbeschleuniger unterliegt den gleichen Vorschriften wie ein Kernkraftwerk und dazu gehören eben auch Strahlenmessgeräte.
Mit einem Fahrstuhl geht es knapp 100 Meter in die Tiefe, dann durch ein paar Korridoren und schließlich stehen wir vor dieser kleinen, gelben Tür:
Dahinter befindet sich das, auf das wir alle schon den ganzen Tag gewartet haben:
Ein kleiner Haken in der Wand!!
Nein; der ist zwar tatsächlich dort, aber um den gehts nicht. Es geht um…
zwei Rohre an der Decke!!
Nein, die sind zwar ebenfalls hinter der gelben Tür, aber in Wahrheit geht es natürlich um
den gewaltigen ATLAS-Dektor!!
Leider sieht der auf den Fotos fast genau so unspektakulär aus wie der Haken und die Rohre. Man muss dieses Gerät live sehen, um seine Größe wirklich einschätzen zu können. In die unterirdische Höhle in der sich ATLAS befindet hätte man problemlos auch ein paar Hochhäuser bauen können. Am CERN hat man alles mit Metall, Kabeln und Computern vollgestopft.
Heute ist die Höhle so voll mit Material, dass man ihre Größe und die Größe des Detektors selbst mit eigenen Augen kaum richtig wahrnehmen kann. Egal wohin man blickt, immer ist irgendwo ein Teil des Detektors. Es ist tatsächlich ein wahnsinnig großes und faszinierendes Gerät und selbstverständlich haben wir alle die Gelegenheit genutzt, um ein paar Fotos zu machen:
Hier ist meines:
Wenn man dieses gigantische Teil in all seiner Komplexität sieht, erscheint es kaum vorstellbar, dass jemand wirklich den Überblick bewahren kann und genau weiß, wozu all die Kabel und Schrauben und Ventile und der andere Kleinkram gut ist.
Aber man hat mir versichert, dass man es binnen Sekunden merken würde, wenn ich eines der Kabel mal eben rausziehen würde und das man ebenso schnell wüsste, WO ich dieses Kabel rausgezogen habe. Auf jeden Fall schneller als ich abhauen und mich verstecken kann, wurde mir erklärt.
Ich habe also darauf verzichtet, ATLAS zu sabotieren und es ging wieder zurück an die Oberfläche.
Auf dem Rückweg sind wir dann auch den VIP-Helmen vorbei gekommen. Ich weiß allerdings nicht ob die nun sicherer, weniger sicher oder einfach nur blauer sind, als unsere roten Helme…
Mit dem Bus ging es nun weiter über die Grenze nach Frankreich. Dort befindet sich der ALICE-Detektor. Der ist nicht ganz so groß wie ATLAS, hat aber eine ganz spezielle Aufgabe.
Normalerweise werden im LHC Protonen beschleunigt und zur Kollision gebracht. Aber man kann auch andere Teilchen nehmen; zum Beispiel schwere Kerne von Bleiatomen. Bei solchen Kollisionen probiert man unter anderem, ein sogenanntes Quark-Gluonen-Plasma zu erzeugen. Quarks sind die Elementarteilchen, aus denen die gesamte normale Materie besteht. Jeder Atomkern besteht aus Protonen und Neutronen und die wiederum bestehen aus je drei Quarks. Zusammengehalten werden die Quarks von den Gluonen; quasi “Klebstoffteilchen”. Und die kleben wirklich gut. Es ist unter normalen Umständen unmöglich, zusammengeklebte Quarks zu trennen, denn die Kraft die sie zusammenhält wird um so größer, je weiter man sie voneinander entfernt. Man braucht schon die enorm konzentrierte Energie die bei Kollisionen in einem Teilchenbeschleuniger entsteht, um nicht nur die Atomkerne in ihre Bestandteile zu zerlegen, sondern auch die Protonen und Neutronen selbst.
In einem Quark-Gluonen-Plasma bewegen sich Quarks und Gluonen frei voneinander, ohne aneinander gebunden zu sein. Es herrscht dort der gleiche Zustand, der in unserem Universum kurz nach dem Urknall geherrscht hat. Ganz zu Beginn gab es dort ja ebenfalls noch keine Protonen, Neutronen oder gar komplette Atome. Es gab nur Quarks und Gluonen die sich erst zu den Bestandteilen eines Atomkerns zusammenfinden mussten. Diese erste Phase war enorm kurz und dauerte nur Bruchteile einer Sekunde. Um zu verstehen, was damals abgelaufen ist, probiert man am LHC diesen Zustand nachzustellen um ihn ausführlich untersuchen zu könnne.
Das ist einer der Jobs des ALICE-Detektors, der so aussieht:
Er ist ein bisschen kleiner als ATLAS, aber dafür nicht weniger beeindruckend.
Und wenn ich nicht im Bild stehe, dann könnt ihr hier sogar die Stelle sehen, wo die 27 Kilometer lange Röhre durch den Detektor verläuft. Genau in der Mitte:
Hier ist die Röhre nochmal in groß. Im Betrieb ist da natürlich kein Deckel drauf, da müssen die Teilchen ja ein paar Zehntausend Mal pro Sekunde im Kreis laufen können. Aber jetzt wird auch bei ALICE heftig gebaut.
Gearbeite wird auch im LHC-Tunnel selbst, der als nächstes auf dem Programm steht. Auf dem Weg dorthin treffe ich auf mysteriöse Inschriften…
Hier ist ein Teil der langen Röhre; vom amerikanischen Fermilab:
Das hier stammt aus Brookhaven (man könnte fast meinen, für den LHC habe man sich die Bauteile bei den anderen großen Beschleunigern geklaut…)
So sieht es innen drin aus; die Teilchen selbst laufen in den kleinen Röhren im Zentrum (das Bild habe ich allerdings in der Microcosm-Ausstellung gemacht und nicht im echten Tunnel):
Ich hab ja schon erwähnt dass der ganze Tunnel 27 Kilometer lang ist. Deswegen gibt es natürlich auch dort unten entsprechende Transportmittel:
Der Tunnel selbst ist überraschend vielseitig. Man stellt sich da ja eine simple Röhre vor, die im wesentlichen überall gleich aussieht. Aber der LHC-Tunnel sieht alle paar Meter anders aus. Mal so:
Mal so:
Oder so:
Und natürlich sind die Röhren nicht einfach nur Röhren, sondern mit jeder Menge komplexer Maschinerie ausgestattet.
Und gearbeitet wird auch hier überall. Das Zeug brauchte man offensichtlich nicht mehr (wenn man was repariert, dann bleibt ja auch immer irgendwas übrig):
Und dieses ganze hochtechnische Wirrwarr geht immer weiter, 27 Kilometer lang im Kreis…
Hier haben sich die Wissenschaftler offensichtlich sehr gefreut, dass sie das entsprechende Teil fertig bekommen haben und sich mit ein paar Botschaften darauf verewigt:
Diese gelben Teile, die überall an der Außenwand der Röhre kleben sind übrigens wichtig, falls mal etwas schief geht. Die vielen Magneten sollen ja dafür sorgen, dass der Strahl aus Teilchen immer schön im Kreis läuft. Wenn er das nicht mehr tut, dann geht er einfach durch die Wand der Röhre durch und das wird von diesen gelben Geräten registriert:
Manchmal gibt es sogar UFOs im Tunnel. “Unidentified Floating Objects”; also irgendein Zeug in der Röhre, das den Teilchenstrahl stört. Wahrscheinlich irgendwelcher Staub, aber genau weiß man es nicht.
Und nichtmal der LHC-Tunnel bleibt von Graffitti verschont. Ob das nun aber einfach nur ein Hinweis für die Arbeiter ist oder der Slogan einer geheimen Anti-LHC-Untergrundbewegung, habe ich nicht herausfinden können:
Ebensowenig wie die Bedeutung dieses Schilds hier:
Der LHC-Tunnel war der letzte Besichtigungspunkt des Tages. Das war auch gut so, denn es war zwar enorm interessant, aber auch ein wenig anstrengend, bei den hohen Temperaturen ständig durch die Gegend zu laufen (und nicht überall am CERN gibt es Klimaanlagen). Am Abend wurde es dann aber endlich kühler und der CERN-Globus leuchtete:
Darin befindet sich übrigens eine kleine Ausstellung über Teilchenphysik (und der allererste Webserver).
ATLAS ist nicht der einzige große und neue Detektor am LHC. Es gibt auch noch CMS, den wir aber leider nicht live sehen konnten. Dafür immerhin ein lebensgroßes Bild in einem der Gebäude:
Dort haben wir auch den CERN-Generaldirektor getroffen. Rolf-Dieter Heuer hatte sich eine halbe Stunde Zeit genommen, um unsere Fragen zu beantworten.
Ob denn Peter Higgs dieses Jahr den Nobelpreis bekommen würde, war zum Beispiel eine der Fragen. Heuer wollte sich da nicht festlegen. Immerhin gibt es noch mehr Physiker, die die Existenz dieses Teilchens vorhergesagt haben und die Leute, die es dann letztes Jahr am CERN tatsächlich entdeckt haben, sollte man auch nicht vergessen. Aber eigentlich rechnet jeder damit, dass es demnächst einen Nobelpreis zum Higgs-Teilchen geben wird.
Als es letztes Jahr entdeckt wurde, wusste man ja erstmal nur, dass man ein neues Teilchen gefunden hatte, dessen Masse ungefähr der des Higgs-Teilchens entsprach. Mittlerweile hat es lange genug untersucht und ist sich sicher, dass es tatsächlich ein Higgs-Teilchen ist. Man weiß allerdings noch nicht, welches Higgs-Teilchen es ist. Denn davon kann es theoretisch mehrere geben. Das Standardmodell der Teilchenphysik sagt ein Higgs-Teilchen voraus und das beobachtete Teilchen ist im ziemlich ähnlich. Es gibt aber noch einige neue physikalische Hypothesen, die viel mehr neue Teilchen vorhersagen, darunter auch mehrere Higgs-Teilchen die dem “normalen” Teilchen stark ähneln.
Es ist allerdings schwer, zwischen beiden Varianten zu unterscheiden. Dazu braucht man viel mehr Daten, als man momentan hat. Sehr viel mehr; ungefähr 100 Mal mehr. Das ist schwer, aber nicht unmöglich und mit diversen Updates sollte der LHC es bis ungefähr 2030 schaffen.
Der LHC ist natürlich der größte Beschleuniger am CERN aber bei weitem nicht der einzige. Es gibt dort jede Menge Beschleuniger und sie hängen alle zusammen:
Ganz am Anfang steht LINAC. Das ist ein Linearbeschleuniger; also einer, der geradeaus verläuft und nicht im Kreis. Hier kommen die Teilchen aus einer Quelle und werden zum ersten Mal beschleunigt. Dann landen sie irgendwann im PS-Beschleunigerring, der die Teilchen weiter antreibt und auf die verschiedenen anderen Beschleuniger verteilt.
Netterweise konnte ich mir auch noch ein paar von ihnen ansehen – und auf dem Weg dabei auch noch schnell einen Blick in den Kontrollraum von CMS werfen:
Eine tolle 50er-Jahre Science-Fiction-Atmosphäre herrscht im LINAC-Kontrollraum. Kein Wunder, dieser Teil von CERN ist ja auch schon alt und stammt teilweise tatsächlich noch aus den 1950er Jahren, als CERN gebaut wurden.
Und das ist die berühmte rote Flasche, aus der die Protonen stammen, die später dann im LHC landen und miteinander kollidieren:
Ich habe aber gelernt, dass das gar nicht stimmt und die eigentliche Protonenquelle im Schrank hinter der Flasche ist…
Wo auch immer die Protonen herkommen, sie landen jedenfalls hier im Linearbeschleuniger LINAC 2.
Der mag vielleicht nicht so spektakulär aussehen wie der LHC mit seinen großen Detektoren; ist aber trotzdem wichtig. Wenn man sich keine Mühe an der Quelle gibt und einen schlechten Protonenstrahl erzeugt, dann kann der LHC noch so groß und lang sein – man wird trotzdem keine guten Daten erhalten.
Am besten hat mir aber der kleine LEIR-Beschleuniger gefallen. Der ist zwar nur 78 Meter lang, hat aber den großen Vorteil, dass man ihn komplett sehen kann:
Auf den ersten Blick mag das zwar wie eine große Lagerhalle voller Gerümpel aussehen; es handelt sich aber tatsächlich um einen Teilchenbeschleuniger. Die orangenen und blauen Kästen sind die unterschiedlichen Magnete, die den Strahl steuern und ganz hinten rechts im Bild kann man ein paar grüne Magnete erkennen, mit denen der Strahl von der Quelle über LINAC zu LEIR geleitet wird.
LEIR ist das Nachfolgemodell von LEAR, mit dem am CERN das erste Mal Antiwasserstoff hergestellt wurde. Allerdings nicht so viel, wie im schon oben erwähnten Dan-Brown-Roman “Angels & Demons” auftauchen. In die Luft sprengen konnte man mit den paar Atomen nichts…
Für den Antiwasserstoff gibt es am CERN sogar einen eigenen “Anti-Beschleuniger”. Wenn man die Antimaterie im Detail untersuchen will – zum Beispiel um herauszufinden, warum es im Universum am Anfang mehr Materie gab als Antimaterie – dann nutzt es nichts, wenn die Teilchen mit annähernd Lichtgeschwindigkeit durch die Gegend fliegen. Man muss sie bremsen und das macht AD, der Antiproton Decelerator. Hier werden die Teilchen gebremst und nicht beschleunigt.
Am CERN gabs aber nicht nur jede Menge Geräte und Technik zu sehen, sondern auch all das, was man sonst noch so an Universitäten und Forschungseinrichtungen finden kann. Vor allem gab es die üblichen Comics, Zeitungsausschnitte und Bilder, die an allen Wänden und Türen hingen.
Das hier zeigt die Anfänge von CERN; die Kuh finde ich besonders schön:
Hier hat man aufgelistet, wie oft CERN im Juni 2013 in den Medien vertreten war. Warum die Zahl der Medienberichte gerade nach dem Besuch des österreichischen Präsidenten massiv abfällt, kann ich aber nicht sagen:
Und ATLAS scheint sogar eine eigene Modelinie zu haben:
Im Grenzgebiet von Frankreich und der Schweiz gibt es natürlich jede Menge zu essen. Wir wurden nach unserem Besuch zum typischen Käsefondue eingeladen. Das war richtig gut – aber wäre vielleicht noch besser gewesen, wenn es draußen nicht 30 Grad gehabt hätte:
Gutes Essen gab es auch im CERN-Restaurant. Mit Kantinenessen habe ich wenig Erfahrung (an der Sternwarte in Wien gabs gar nix; da musste man zum Supermarkt ein paar Straßen weiter gehen und sich selbst was kaufen). Aber die des CERN scheint doch zu den besseren zu gehören.
Immerhin kann man sich dort sein Bier frisch zapfen:
Und da wir quasi schon in Frankreich sind, gibt es natürlich auch ein eigenes Weinfass beim Buffet:
Ich habe meinen Besuch am CERN sehr genossen. Es war toll, diese ganzen Geräte mal mit eigenen Augen zu sehen. Das CERN ist ein sehr spezieller Ort und ich kann einen Besuch dort nur empfehlen. Die wissenschaftlichen Ausstellungen kann man natürlich jederzeit besuchen; aber wer die Detektoren, die Tunnel und die ganzen anderen Dinge sehen will, sollte zum Tag der offenen Tür dort sein (und keine Angst vor Menschenmassen haben). Solange der LHC noch renoviert wird, besteht die Möglichkeit, sich das alles anzusehen. Wenn dann 2015 wieder Teilchen durch den Tunnel sausen kann niemand mehr rein. Dann ist der LHC wieder ganz für die Wissenschaft da. Und das ist ja auch gut so. Nach der Pause wird der LHC mit doppelt so hohen Energien arbeiten wie bisher und völliges Neuland erforschen können. Die Pflicht hat der Beschleuniger erledigt und das Higgs-Teilchen gefunden. Jetzt kommt die Kür und das, auf dass alle warten: Etwas völlig Neues!
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